“悟空號”探索宇宙核心秘密

藏京京 李翔

2017年11月30日，中國科學(xué)院在北京召開新聞發(fā)布會，介紹了我國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星——“悟空”號取得的首批科學(xué)成果。相關(guān)成果同一時間在英國《自然》雜志發(fā)表。我國科學(xué)家宣布：利用“悟空”號運行前530天記錄的數(shù)據(jù)，他們繪制出了全世界最為精確的高能宇宙線電子能譜，據(jù)此人們可以分析其中蘊含著的豐富的關(guān)于宇宙的信息，特別是那些可能和長久以來人們力求破解的暗物質(zhì)之謎相關(guān)的反?，F(xiàn)象。

“悟空”號衛(wèi)星的驚人發(fā)現(xiàn)

“悟空”號衛(wèi)星此次發(fā)表的結(jié)果是宇宙線中的一種粒子——電子的能譜。宇宙線是充斥于整個宇宙空間、高速運動（速度非常接近光速）的高能量微觀粒子。它們主要是電離了的原子核，包括約87%的質(zhì)子（氫原子核）、約12%的α粒子（氦原子核），剩下不到1%是更重的原子核、少量電子、反質(zhì)子和正電子等粒子。電子是圍繞著原子核運動的帶負(fù)電的粒子，它們在宇宙線中的豐度很低，只有約千分之一。

“悟空”號衛(wèi)星530天的運行共計記錄到28億個宇宙線粒子，科學(xué)家從中篩選出了約150萬個高能量的電子，測量出了這些電子的能譜分布（見圖1）。能譜指的是粒子數(shù)目隨能量的變化關(guān)系，即低能粒子和高能粒子的數(shù)量。能譜包含有我們理解這些粒子來源的很重要的信息。這就好比進(jìn)行人口統(tǒng)計，各自計算嬰幼兒、青少年、中老年人的數(shù)量，根據(jù)人口年齡的分布，我們可以判斷出某個國家的人員結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力水平、醫(yī)療養(yǎng)老面臨的壓力等。我們測量電子能譜也可以從中推測產(chǎn)生這些電子的起源是什么、它們?nèi)绾畏植?、如何傳播等相關(guān)的信息。圖1所示的“悟空”號的結(jié)果（紅點）在很寬的能量段之內(nèi)給出了關(guān)于電子能譜最精確的測量，揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結(jié)構(gòu)。和之前別的實驗測量結(jié)果相比，“悟空”號的結(jié)果精度最高、本底最低，為科學(xué)家理解高能電子起源提供了重要的數(shù)據(jù)。

既然電子與原子核相比數(shù)目如此稀少，那么為什么還要費勁去觀測電子呢？實際上電子和原子核的觀測都有用處，它們對應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)不盡相同。對于我們最感興趣的暗物質(zhì)探測這個目標(biāo)，電子觀測比原子核來說更有優(yōu)勢。形象地說，我們探測暗物質(zhì)相當(dāng)于大海撈針，暗物質(zhì)的信號非常微弱，本底又非常高，探測難度很大。如果我們可以縮小搜尋范圍，那么便可以降低難度，提高成功率。相對于大量的原子核來說，電子數(shù)量稀少，通過電子探測暗物質(zhì)相當(dāng)于我們從“大?！鞭D(zhuǎn)到“湖泊”里面去撈針，雖然依舊很難，但顯然難度降低很多。

通過宇宙線探測暗物質(zhì)屬于暗物質(zhì)探測中的間接探測方法，即通過探測暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變產(chǎn)生的普通粒子（其中就包括電子）來間接探測暗物質(zhì)粒子。根據(jù)理論物理學(xué)家的預(yù)期，暗物質(zhì)可能具有微弱的相互作用，通過這樣的相互作用，暗物質(zhì)粒子可以發(fā)生自湮滅或者衰變，就像一對正負(fù)電子碰在一起會發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)換成伽馬射線或者別的粒子一樣，一對暗物質(zhì)粒子湮滅也可以產(chǎn)生正負(fù)電子、正反質(zhì)子、伽馬射線等粒子。通過觀測這些宇宙線粒子，我們便有可能間接捕捉到暗物質(zhì)粒子的相關(guān)信息。然而，理論物理學(xué)家無法預(yù)期暗物質(zhì)湮滅或衰變信號會出現(xiàn)在什么能量區(qū)間，信號的強度有多大，信號的具體組成是什么，這給暗物質(zhì)探測帶來了很大的困難。因此科學(xué)家們只好努力制造動態(tài)范圍更寬、精度更高、觀測粒子種類更多的儀器，以盡可能覆蓋更為寬廣的區(qū)域，提高捕捉到暗物質(zhì)的幾率。這就好比撒網(wǎng)捕魚，既要求網(wǎng)大，還要求網(wǎng)密，才能減少漏網(wǎng)之魚。“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在設(shè)計時就秉承這樣的理念，力爭成為國際上最好的暗物質(zhì)粒子探測器。

“悟空”號衛(wèi)星的前世今生

暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上空的兩朵新的烏云，和一百年前的那兩朵烏云（黑體輻射和以太學(xué)說）類似，對它們的研究很可能會帶來科學(xué)上的新突破。暗物質(zhì)問題是當(dāng)前物理學(xué)最為核心的重大問題之一，世界各國都在集中人力、物力和財力研究這一問題。中國科學(xué)院制定的《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國的未來》戰(zhàn)略研究系列報告中，暗物質(zhì)和暗能量探索被列為可能出現(xiàn)革命性突破的基本科學(xué)問題的第一位。

2011年，中國科學(xué)院組織實施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，其中包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項第一批共4顆空間科學(xué)衛(wèi)星，“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星就是其中之一。其他的3顆衛(wèi)星，分別是“墨子”號量子科學(xué)衛(wèi)星、“慧眼”硬X射線衛(wèi)星和實踐十號科學(xué)實驗衛(wèi)星。2011年11月，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程正式立項，經(jīng)過科研人員和工程師4年時間的刻苦攻關(guān)，先后經(jīng)歷原理樣機(jī)、初樣件和正樣件的研制，于2015年年中研制完成。衛(wèi)星發(fā)射前夕，通過公開征名的方式，由網(wǎng)友提議并通過專家評選，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星被命名為“悟空”?！拔蚩铡钡脑⒁馐窍Ｍㄟ^其“火眼金睛”，準(zhǔn)確地捕捉到暗物質(zhì)，幫助我們“領(lǐng)悟太空”。2015年12月17日，“悟空”號衛(wèi)星在酒泉發(fā)射中心搭載長征二號丁型火箭成功發(fā)射，成為中國首顆空間科學(xué)衛(wèi)星，正式開啟了其探索宇宙的歷程。迄今“悟空”號衛(wèi)星工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)異，為后續(xù)不斷產(chǎn)出重要科學(xué)成果奠定了堅實的基礎(chǔ)?！拔蚩铡碧栃l(wèi)星設(shè)計壽命為3年，根據(jù)目前的儀器狀態(tài)，“悟空”號衛(wèi)星將很可能運行5年甚至更長的時間。

“悟空”號衛(wèi)星的原理

“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星本質(zhì)上是一個高能宇宙線粒子探測器。前文已經(jīng)提到如果想最大可能探測到暗物質(zhì)粒子，我們的儀器需要觀測盡可能寬的能量段、盡可能豐富的粒子種類、盡可能大的數(shù)據(jù)量。這些要求給“悟空”號衛(wèi)星的研制提出了挑戰(zhàn)。中國科學(xué)家通過獨特的設(shè)計方案，以經(jīng)濟(jì)節(jié)約的方式成功實現(xiàn)了上述要求?！拔蚩铡碧柕目茖W(xué)儀器由4個子探測器組成，分別是塑料閃爍體探測器（用于測量粒子電荷）、硅陣列探測器（用于測量粒子方向）、鍺酸鉍（BGO）晶體量能器（用于測量粒子能量并同時鑒別粒子種類）和中子探測器（用于進(jìn)一步鑒別粒子種類）。通過4個子探測器協(xié)同工作，我們可以精確地測量擊中探測器的粒子電荷、方向、能量和種類。基于這些信息，我們將可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)留下的遺跡，也可以開展宇宙線相關(guān)的天體物理研究。

粒子的準(zhǔn)確識別，特別是質(zhì)子和電子之間的鑒別，只是“悟空”號衛(wèi)星的絕技之一。宇宙線中電子僅占質(zhì)子的千分之一左右，如果不能高精度區(qū)分質(zhì)子和電子，便無法實現(xiàn)對電子的有效觀測。質(zhì)子帶1個正電荷，電子帶1個負(fù)電荷，它們在塑料閃爍體里面的信號一樣（閃爍體只能測量電荷的絕對數(shù)值），因此需要通過別的辦法加以區(qū)分?！拔蚩铡碧栃l(wèi)星采用的方案是利用它們在BGO量能器中產(chǎn)生的信號形狀的差別來鑒別它們。比起電子信號，質(zhì)子在BGO量能器中產(chǎn)生的信號要散亂許多，這跟質(zhì)子的強相互作用屬性相關(guān)（如圖4所示）。根據(jù)這種形態(tài)的差異，我們可以輕易地區(qū)分開質(zhì)子和電子?！拔蚩铡碧栃l(wèi)星區(qū)分質(zhì)子和電子的本領(lǐng)達(dá)到了50000：1，也就是說50000個質(zhì)子中只有1個會被誤判為電子。如此高的鑒別能力保證了“悟空”號衛(wèi)星測量到的電子能譜非常純凈，結(jié)果也很可靠。

“悟空”號衛(wèi)星還有一項絕技是測得準(zhǔn)，它測量粒子能量的精度很高，是目前世界上同類儀器中最高的?！拔蚩铡碧栃l(wèi)星對高能電子的能量測量精度達(dá)到1%的程度，比別的儀器準(zhǔn)確數(shù)倍甚至十余倍。如此高的測量精度對于揭示能譜中的可能結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。這就類似于一個視力正常的人和近視的人同時看一幅畫時的差別。

擁有了這些絕技，“悟空”號衛(wèi)星才能憑借“火眼金晴”，從紛繁復(fù)雜的亂象中抓住一條關(guān)鍵線索，這或許能夠幫助我們認(rèn)清暗物質(zhì)這個幽靈的真面目。

【模樣】長、寬、高分別為1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。整體質(zhì)量為1.85噸，有效載荷質(zhì)量為1.4噸，軌道高度為500千米，壽命3年以上。

【神通】能通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子，是迄今觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測器。

【筋斗云】搭載由中國航天科技集團(tuán)第八研究院研制的長征二號丁型火箭升空。